Low power linux

Low-Power Linux

Wolfram Luithardt

Hochschule für Technik und Architektur,
Fribourg, Schweiz

DIGICOMP Open Tuesday, Wolfram Luithardt HTA-Freiburg, 05.04.2011 1

Warum Low Power Linux?

Server: Performance ist wichtiger als Energie-
verbrauch. Low Power primär aus
Kostengründen
Desktop: Performance ist oft wichtiger als Low Power
Laptops: Low Power primär zur Verlängerung der
Batterielaufzeit
Mobile: Batterielaufzeit
Embedded: Oft nur wenig Energie vorhanden.


Embedded Systems


Warum Low-Power Systeme ?

- Weniger Wärme
- Weniger bewegliche Teile
Low - Weniger Lärm
Power
System Lebensdauer und Wirkungs-
grad der elektronischen
Komponenten

Weniger Kosten (Energie ist
teuer!!)

Low Power Systeme sind im wahrsten Sinne des Wortes:
cool !

Motivation
Embedded System Roadmap 2002:
″Power is considered as the most important
constraint in embedded systems″

Energy-Harvesting:
- Photovoltaik Leistungsabgaben
- Thermoelektrik an ein System ca:
- Vibrationsgeneratoren 100 uW – 10mW
- Mikro-Luftgeneratoren
Langfristiges Ziel:
Ein Linuxrechner, der mit einer Energyharvesting-
Versorgung gespeist wird.


Neue Low Power Komponenten

- Display: bistabiles LCD: hält sein Bild auch
im stromlosen Zustand

- Ram: PASR (Partitial Array Self Refresh):
dynamisches Ram, das nur teilweise refreshed
wird.
15
- Ram: NVRam (Nichtflüchtiges Ram): >10
Schreib-Löschzyklen

- Energiespeicher: Supercaps


Leistung einzelner PC-Komponenten

* Mainboard: 25 Watt
* Gehäuselüfter: 5 Watt
* Prozessorlüfter: 3 Watt
* Speichermodul: 10 Watt
* PCI Soundkarte/Netzwerkkarte/Modem: 5 Watt
* Festplatte: 30 Watt
* CD/DVD Laufwerk/Brenner: 30 Watt
* Diskettenlaufwerk: 4 Watt
* Tastatur/Maus/andere USB-Geräte: 3 Watt/Stück
* Grafikkarte: ca. 50-100 Watt je nach Hersteller
* Prozessor:
Duron: 27Watt /600MHz - 80Watt /1,6 GHz
Athlon XP: 60Watt /1500+ - 110Watt / 3200+
Intel P4: 50Watt / 1,6GHz - 100 Watt / 3,2 GHz


Vergleich verschiedener Linux-
fähiger Prozessorfamilien
Intel Pentium: 120 Watt
Intel Duo 2 Core (z.B. E8600): 65 Watt
Intel Atom: 2-6 Watt
Transmeta Crusoe: 1 Watt
ARM: z.B. AT91SAM9260: 200 mW
Atmel AVR32: 80mW.


Bekannte Energiespar-Methoden

- Screen off-mode

- Suspend to Ram

- Suspend to disk
(Hibernation mode)


Die grundlegende Gleichungen
P gesamt =P statisch P dynamisch
P statisch =∑ U⋅I Leak
U: Corespannung
IL e a k : Leckstrom
1 2
P dynamisch = ⋅⋅C⋅U ⋅f
2
α: Aktivitätsfaktor
C: Parasitäre Kapazität (Transistoren und Leitungen)
U: Corespannung
f: Frequenz

Technologische Entwicklungen

Von Generation zu Generation:

- Parasitäre Kapazität/Transistor: ↓
- Corespannungen: ↓
- Taktfrequenz: ↑
- Anzahl-Transistoren pro Chip: ↑

Dynamische Leistung: =/↑
Statische Leistung: ↑

zur Reduktion statischer Verluste:
P statisch =∑ U⋅I Leak
- Neue Dielektrika
- DVTCMOS (Dual Voltage Threshold-CMOS):
Man benützt je nach Aufgabe 2 verschiedene Arten
von Transistoren (schnell mit hohem IL e a k oder
langsam mit niedrigem IL e a k

- STI (Sleep Transistor Insertion): Transistoren, die für
eine gewisse Funktionalität nicht benötigt werden,
werden stromlos geschaltet.


zur Reduktion dynamischer Verluste:
1 2
P dynamisch = ⋅⋅C⋅U ⋅f
2
- ULV-Prozessoren
- Clock-Gating: Optimierung der Anzahl
der Transistoren, die bei einer gewissen
Operation getaktet werden müssen.

- Cross Talk Avoidance: z. B. durch Vertau-
schen von Leitungen etc.

Sparmöglichkeiten
- Abschaltung von nicht benötigter
Peripherie
Verbrauch ARM Cortex M3- STM32F103x8
- Reduktion der
Taktfrequenz 40
Run, Peri on
35 Run, Peri off
Sleep, Peri on
30
- Reduktion der Stromverbaruch [mA]
25
Sleep, Peri off
Stop
Versorgungs- 20
spannung 15

10

5
- Kombination 0

von Allem !!!! 0 10 20 30 40 50
Taktfrequenz [MHz]
60 70 80


The real world
Verbrauch UNC90, AT91RM9200


Abhängigkeit von Spannung und Frequenz

XScale, Quelle Intel


X86 Sleep-modes
P-States:
Verringerung der Frequenz und der Corespannung

C-States:
Beispiel: Intel® Core™2 Duo
C-State max Leistung
C0 Running Mode 35.0 Watt
C1 Idle Mode 13.5 Watt
C2 Ohne Datenbus 12.9 Watt
C3 Deaktivierung PLL 7.7 Watt
C4 Enhanced Deeper Sleep 1.2 Watt

http://www.lesswatts.org/documentation/silicon-power-mgmnt/

Warum verschiedene Sleep-Modes?

Leistungsaufnahme Beispiel: Intel®
C0 Mode Core™2 Duo
35.0 Watt

10 ns

C1 Mode 100 ns 250 us
13.5 Watt
50 us
C2 Mode
12.9 Watt

C3 Mode
7.7 Watt C4 Mode
1.2 Watt


Beispiel Sleep-Modes: ARM

Strongarm SA1100 Active
400 mW

10μs
160ms
10μs 90μs

Idle Sleep
50 mW 90μs 160 μW

Woher weiss der Prozessor, in welchen Zustand er gehen kann ?


Grundlegende Prinzipien

Grundzustand aktiv, schlafen nur, Wartendes
wenn nichts zu tun ist Betriebssystem

Grundzustand schlafend, aktiv nur, Ereignisgesteuertes
wenn etwas zu tun ist Betriebssystem

Grundzustand aus, aktiv nur,
Energiegesteuertes
wenn genügend Energie Betriebssystem
vorhanden ist


Unix- Prozessmodel

externes Problematik bei
Gerät Polling energiegesteuertem
Betriebssystem:

Aktiv Bootzeit
Interrupt

Blockiert Wartend


Reduktion der Aufstartzeit
Karo TX-25

66 Sek 8 Sek
Quelle: D. Doninelli: TX25-Fast Boot, EIA-FR 2011

Wie sieht dies in der Praxis aus ?

- Dynamische
Reduktion der
Taktfrequenz - Prozessor
schlafen legen
- Abschaltung von
nicht benötigter
Peripherie - Reduktion der
Versorgungs-
spannung


Plattform UNC90
http://www.digi.com/pdf/prd_em_unc90.pdf
- Prozessor: AT91RM9200 (ARM 920EJ)
- Maximale Frequenz: 180 MHz
- 32 MB Ram, 16 MB Flash
- Linux Kernel 2.6.12

Um

Spannungs-
regler
0.1 Ω UNC90- Modul
Ausgang 3.3 V I = Um / 0.1Ω
P = U·I = Um2 / R


Crosscompiling
PC mit Ubuntu +
UNC90-Crosscompiling
UNC90 Umgebung
TFTP TFTP-Server mit
Kernel Kernel für UNC90

NFS Filesystem auf
Filesystem NFS-Partition

seriell Terminalprogramm
Terminal
(minicom)


Frequencyscaling
Power Management Controller PMC

Prozessorfrequenz

Frequenzverhältnis
zur Peripherie


Manuelles Frequencyscaling

saveCurrent()
{
PMC_ MCKR |= PRES_DIV2; // Master Clock register auf /2 stellen
US_BRGR = US_BRGR /2; // USART Baudrate Divider Register
}

normalCurrent()
{
PMC_ MCKR &= ~PRES_DIV2; // Master Clock register auf /1 stellen
US_BRGR = US_BRGR *2; // USART Baudrate Divider Register
}

Wie kann dieses automatisiert werden ?

Unix- Prozessmodel

externes
Gerät Polling

Laufend Aktive
Prozesse
Interrupt

Blockiert Wartend


Die runqueue
runqueue-Struktur im Kernel geblockte Prozesse:

run Idle- Proc Proc
queue Task 1 2

Ein Feld dieser Struktur: nr_running enthält die Anzahl
der aktiven Prozesse (inklusive des Idle-Tasks)


Ein einfacher Patch in sched.c

Die Funktion schedule() wird bei jedem Kontextwechsel
(preemptiv oder gewünscht) aufgerufen:
if(unlikely(rq -> nr_running == 1)){
if(saveMode == 0){
saveCurrent();
saveMode = 1;
}
} else {
if(saveMode != 0){
normalCurrent();
saveMode = 0;
}
}


Die Routinen
saveCurrent() {
local_irq_disable();
waitForTXReady(); waitForTXReady(){
saveCurrent(); do {
local_irq_enable(); /* wait until TX_Ready
} Bit in USART Channel
Status Register set
normalCurrent() { */
local_irq_disable(); }
waitForTXReady(); while((US_ CSR & TXRDY)==0)
normalCurrent(); }
local_irq_enable();
}


Ein etwas besserer Patch

if(unlikely(rq -> nr_running == 1)){
if((saveMode == 0)&&(saveCounter > SAVEWAIT)){
saveCurrent();
saveMode = 1;
} else {
saveCounter++;
}
} else {
if(saveMode != 0){
normalCurrent();
saveMode = 0;
}
saveCounter = 0;
}


Ergebnisse
ohne SAVEWAIT SAVEWAIT SAVEWAIT SAVEWAIT
Patch =1 =2 =3 =5

Active 232 mA 232 mA 232 mA 232 mA 232 mA
Idle 232 mA 170 mA 170 mA 170 mA 170 mA
Time [ms] 15810 16700 16200 16000 15830
Stabilität 80 200 170 130 100
[ms]

Die Zeit wird mit einem Programm gemessen, das eine einfache mathe-
matische Funktion ausführt.

Warum nicht die Frequenz noch weiter senken?


Sleep-Mode

in linux/include/asm-arm/arch-at91rm9200/system.h

static inline void arch_cpu_idle()
{
AT91_SYS -> PMC_SCDR = AT91C_PMC_PCK;
}

Ergebnisse: sleepmode: 232 mA → 130 mA
mit Frequenzscaling: 170 mA → 112 mA

Wie lange kann ein System im Sleep-Mode bleiben?


PowerTop
PowerTOP version 1.9 (C) 2007 Intel Corporation
Cn Verweildauer P-States (Frequenzen)
C0 0,3% 2,00 GHz 0%
C1 0,0% 1,60 GHz 0%
C2 99,7% 1,20 GHz 100 %
Aufwachen pro Sekunde : 52,1 Intervall: 15,0s
Häufigste Ursachen für das Aufwachen:
32,5% (20,0) beagled : futex_wait (hrtimer_wakeup)
16,3% (10,0) <kernel core> : ehci_work (ehci_watchdog)
11,1% ( 6,8) <interrupt> : ahci
6,9% ( 4,3) <interrupt> : acpi
6,5% ( 4,0) <kernel module> : usb_hcd_poll_rh_status (rh_timer_func)
5,2% ( 3,2) <interrupt> : extra timer interrupt
4,9% ( 3,0) kicker : schedule_timeout (process_timeout)
2,2% ( 1,3) klipper : schedule_timeout (process_timeout)


Nach allen Tipps
Cn Verweildauer P-States (Frequenzen)
C0 0,1% 2,00 GHz 0,0%
C1 0,0% 1,60 GHz 0,0%
C2 99,9% 1200 MHz 100,0%
Aufwachen pro Sekunde : 21,8 Intervall: 20,0s
Häufigste Ursachen für das Aufwachen:
42,6% ( 10,0) <kernel core> : ehci_work (ehci_watchdog)
17,3% ( 4,0) <kernel module> : usb_hcd_poll_rh_status (rh_timer_func)
8,7% ( 2,0) kicker : schedule_timeout (process_timeout)
7,9% ( 1,9) kwin : schedule_timeout (process_timeout)
5,3% ( 1,2) klipper : schedule_timeout (process_timeout)
4,3% ( 1,0) kwrapper : do_nanosleep (hrtimer_wakeup)
4,3% ( 1,0) <kernel core> : queue_delayed_work_on
1,7% ( 0,4) kdesktop : schedule_timeout (process_timeout)


Linux Kernel vor 2.6.21

Erhöhung der jiffies-Variable

Timer-Ticks
(alle 1, 4 oder Process Accounting: Wieviel Zeit
10 ms) hat jeder Prozess verbraucht ?

Scheduler: Muss ein Kontext-
wechsel durchgeführt werden ?

Sind SW-Timer abgelaufen ?

Nur benötigt, wenn ein Programm aktiv ist
Wird auch im Idle-Modus benötigt


Linux Kernel nach 2.6.21
Thomas Gleixner, Ingo Molnár et al.:
Tickless Kernel

HPET (High Precission Jiffies-Variable wird nur
Event Timer) erhöht, wenn ein Prozess
aktiv ist

Process Accounting
Scheduler
Kontextwechsel

Abgelaufene Timer werden
vom HPET gemanaged
Interrupts
Wenn kein Prozess aktiv ist kann der Prozessor im
Schlaf-Mode bleiben!

Linux Kernel nach 2.6.21
Grouping:

1 Sekunde 1 Sekunde

Systemaufrufe:
unsigned long round_jiffies(unsigned long j);
unsigned long __round_jiffies_relative(unsigned long j, int cpu);

Neue Applikationen immer mit Power-Top oder
ähnlichem testen !

Alle gezeigten Messungen waren mit einem alten Kernel.
Wie sieht es mit einem aktuelleren System aus?

Armadeus: APF-27

www.armadeus.org

- Prozessor Freescale i.mx27
- Takt bis 400MHz
- 64 MB RAM
- 16 MB Flash
- Ethernet, USB etc...
- FPGA

- Kernel: 2.6.29.4


On demand Governor
make linux26-menuconfig


Messungen unterschiedlicher
Frequenzscalingmethoden
Frequenzscaling Methode Strom Idle [mA] Strom aktiv [mA]
Perfomance Governor 512 (400 MHz) 723 (400 MHz)
Powersave Governor 494 (133 MHz) 494 (133 MHz)
Ondemand Governor 494 (133 MHz) 723 (400 MHz)
Scheduler Patch 371 (200 MHz) 723 (400 MHz)
Scheduler Patch 348 (133 MHz) 723 (400 MHz)
Die aktuelle Frequenz kann über das sysfs bestimmt werden:
/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_cur_freq

Interessantes Paper zum Thema:
http://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/people/lenb/acpi/doc/OLS2006-ondemand-paper.pdf


Sleep Mode auf APF-27
Im File:/linux-2.6.29.4/arch/arm/mm/proc-arm926.S
ENTRY(cpu_arm926_do_idle)
mov r0, #0
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 @ Read control register
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ Drain write buffer
bic r2, r1, #1 << 12
mrs r3, cpsr @ Disable FIQs while Icache
orr ip, r3, #PSR_F_BIT @ is disabled
msr cpsr_c, ip
mcr p15, 0, r2, c1, c0, 0 @ Disable I cache
mcr p15, 0, r0, c7, c0, 4 @ Wait for interrupt
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0 @ Restore ICache enable
msr cpsr_c, r3 @ Restore FIQ state
mov pc, lr

Ausschaltbar über Kernelboot-Parameter: no-hlt oder über Systemfunktion: disable_hlt();
Strom: 512 mA → 725 mA

Was bringt Tickless ?
ohne Tickless: I = 535 mA

Tickless: I = 515 mA


Was bringt Tickless ?

http://www.phoronix.com/scan.php?page=article&item=651&num=1

Ausschalten von Peripherie
Bisher wurden die Messungen ohne
USB-Support durchgeführt !


Eingeschaltetes USB
512 mA → 725 mA (+ ~30%)

Wird dies durch SW oder HW verursacht ?


Konfiguration des USB
- Über 100 Register !

- Peripheral Clock Control Register des Clockmoduls:
Durch Ausschalten des Bits USB AHB Clock Enable,
(Advanced High-performance Bus) wird der Strom reduziert
(Clock-Gating ??? --> !!!)

- Der AHB Clock wird aber nur zum Erkennen eines neuen
USB-Gerätes benötigt. Dies' ermöglicht, durch ein einfaches
Programm, welches periodisch den USB AHB Clock ein-
schaltet, den Stromverbrauch massgeblich zu reduzieren....


Userspace-dynamisches USB

User Space Kernel Space

Procedure
loop{
- AHB einschalten
- Status Register lesen Zugriff auf Register
- AHB ausschalten
- sleep(1);
}

Einsparung bei APF-27: 30%

Lassen sich solche Lösungen generalisieren ?

Neue Plattform FRIARM

- Komplettes ereignisgesteuertes System
(Interrupt-Handling)
- Dynamische Frequenz- und Corespannungs-Anpassung
- Dual-Ram zur Reduktion der Zugriffsfrequenz und damit
Reduktion der Versorgungsspannung
- Ram/Flash wird durch NV-Ram ersetzt: Ausschalten des
Stromes in Ruhephasen, Live-Daten im Ram, um
schnelles Booten zu ermöglichen
- Display mit bistabilem LCD


Literatur

Daniel P. Bovet, Marco Cesati: Understanding the
Linux Kernel, O'Reilly, ISBN: 978-0-596-00565-8

http://www.mjmwired.net/kernel/Documentation/cpu-
freq/governors.txt

http://www.carlthompson.net/software/cpuspeed/

www.lesswatts.org

Manuals der Prozessoren


Dank an die beteiligten Personen

Vielen Dank an:
Silvain Décastel, Xavier Menoud, Andéol Demierre
und Igor Zanetti für die interessanten Analysen des
Linux-Systems.
Guy Morand und Davide Doninelli für Ihre tollen
Arbeiten zum Fastboot an verschiedenen Systemen.
Sowie an Daniel Gachet und Nicolas Schroeter ' für
die vielen interessante Diskussionen zu diesem
Thema....


und natürlich....

Vielen Dank auch für Ihre
Aufmerksamkeit !

Weitere Infos:

wolfram.luithardt@hefr.ch


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